در زمینی اولیه که در معرض تابش شدید فرابنفش قرار داشت، تکامل DNA ممکن است به یک مزیت مولکولی غیرمنتظره وابسته بوده باشد.
حیات اولیه زمین بدون حفاظت لایه ازن، با تابش شدید فرابنفش (UV) خورشید مواجه بود. با این حال، DNA به تیمین متکی شد؛ یک بلوک سازنده شیمیایی که نسبت به یوراسیل، همتای آن در RNA تک‌رشته‌ای، بیشتر مستعد آسیب تابش فرابنفش است.
پژوهشی در دانشگاه تگزاس ای‌ام پیشنهاد می‌کند که تیمین ممکن است با هدایت آن آسیب به شکلی که بازگشت آن آسان‌تر باشد، به بقای مولکول‌های ژنتیکی اولیه کمک کرده باشد. یافته‌هایی که در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده‌اند، توضیحی احتمالی برای چگونگی جایگزینی تیمین به جای یوراسیل در حین تکامل سیستم‌های ژنتیکی به سمت DNA ارائه می‌دهند.
تیمین آسیب برگشت‌پذیرتر فرابنفش را ترجیح می‌دهد
دکتر پیتر رنتزپی، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه، همراه با دستیاران پژوهشی‌اش، کیوان خوش‌آبادی و نگار کارپورazar، تیمین و یوراسیل را تحت شرایط کنترل‌شده فرابنفش که برای شبیه‌سازی محیط تابشی شدید زمین بدوی طراحی شده بودند، مقایسه کردند. آن‌ها از بیوفوتونیک، رشته‌ای که روش‌های مبتنی بر نور را برای پرسش‌های زیستی به کار می‌گیرد، استفاده کردند. ابزارهای آن‌ها شامل طیف‌سنجی جذب، فلورسانس و رامان بود که نحوه جذب، انتشار یا پراکندگی نور توسط مولکول‌ها را بررسی می‌کنند.
«ما دریافتیم که تیمین تمایل دارد آسیب فرابنفش را به شکلی برگشت‌پذیرتر هدایت کند، که نشان می‌دهد مولکول‌های ژنتیکی اولیه ممکن است نه با اجتناب از آسیب، بلکه با کنترل آن و آسان‌تر کردن ترمیم خودشان، از تابش شدید خورشید جان سالم به در برده باشند»، به گفته خوش‌آبادی. «به این معنا، تیمین ممکن است مانند یک ضدآفتاب مولکولی عمل کرده باشد؛ انرژی مضر فرابنفش را جذب کرده و آسیب را محدود به پایه‌های ژنتیکی نگه داشته است، به جای اینکه اجازه دهد به بخش‌های آسیب‌پذیرتر مولکول صدمه بزند.»
اجزای ژنتیکی از زمین یا فضا
رنتزپی و تیم او قصد دارند تحقیقات خود را به مرحله‌ای زودتر در فرآیند منشأ حیات گسترش دهند و نیروهای جمع‌آوری‌کننده تیمین، یوراسیل و سایر اجزای سیستم‌های ژنتیکی اولیه را بررسی کنند.
«ما امیدواریم کشف کنیم که آیا بلوک‌های سازنده شیمیایی حیات کاملاً روی زمین شکل گرفته و مونتاژ شدند، یا اینکه برخی از آن‌ها توسط شهاب‌سنگ‌ها از جاهای دیگر به سیاره ما منتقل شدند و سپس در سیستم‌های ژنتیکی اولیه ادغام گردیدند»، خوش‌آبادی اظهار داشت. «ما از دانشگاه تگزاس ای‌ام و حامیان پژوهشی خود برای حمایت از این کار و امکان‌پذیر ساختن کاوش در پرسش‌های بنیادین درباره منشاء حیات سپاسگزاریم.»
امضاهای نوری می‌توانند به تشخیص پاتوژن کمک کنند
این اندازه‌گیری‌ها همچنین چارچوب مرجع جدیدی ایجاد می‌کنند که می‌تواند از پژوهش‌های فراتر از تکامل مولکولی پشتیبانی کند. تیم امضاهای طیفی متمایزی شناسایی کرد؛ الگوهای قابل تشخیص در نحوه تعامل مولکول‌ها با نور که ممکن است در نهایت کاربردهای عملی داشته باشند.
«امضاهای طیفی متمایزی که اندازه‌گیری کردیم می‌توانند از کاربردهایی در تشخیص سریع‌تر و حساس‌تر پاتوژن‌ها و همچنین در نظارت بر اثربخشی گندزدایی فرابنفش در غیرفعال کردن میکروارگانیسم‌ها، به ویژه در سیستم‌های تصفیه آب، پشتیبانی کنند»، به گفته خوش‌آبادی.
مرجع: «مسیرهای آسیب نوری فرابنفش و انتخاب تکاملی تیمین به جای یوراسیل در سیستم‌های ژنتیکی اولیه» اثر کیوان خوش‌آبادی، نگار کارپورazar و پیتر ام. رنتزپی، ۳ آگوست ۲۰۲۶، Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2615278123
این مطالعه توسط گرنت شماره FA9550-20-1-0139 دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی و صندوق‌های ایستگاه آزمایش مهندسی دانشگاه تگزاس ای‌ام حمایت مالی شد.